Field estimation in a wireless sensor network using low power and low cost designed sensors

Abstract

Bir Telsiz Duyarga Ağı (TDA), belirli bir alandaki incelenmek istenen nicelikleri ucuz ve basit duyargalar kullanarak gözlemlemektedir. Duyargalar ölçümlerini merkezi birim, Tümleştirme Merkezi'ne (TM), son çıkarım için göndermektedirler. Bu tezde, ilk olarak düşük güç tüketimli ve düşük maliyetli birimler, MSP430G2553 mikrodenetleyicisi, nRF24L01+ haberleşme birimi, ve ışığa bağlı değişen direnç (LDR), kullanılarak bir duyarga tasarlanmaktadır. Bu duyargalar kullanılarak bir TDA oluşturulmaktadır. Bu tezde, duyargalar bulundukları noktalardaki ışık şiddetlerini ölçmekte ve ölçümlerini TM'ye göndermektedirler. Duyargalar ve TM arasındaki haberleşme için Taşıyıcı Tabanlı çoklu Erişime (TTÇE) dayalı bir haberleşme protokolü tanımlanmaktadır. Bu protokolde, veri istek ve veri yanıtlama işlemleri, veri ve kontrol paket yapıları, onay, çarpışmayı ele alma, çarpışmadan kaçınma işlemleri açıkça tanımlanmaktadır. Bu çalışmada, TDA'nın görevi alan kestirimi olarak seçilmektedir. TM'de toplanan TDA verisi işlem gücü açısından kuvvetli bir bilgisayara aktarılmaktadır. Bilgisayar vasıtasıyla, ilk olarak yarı-ilinti olarak ifade edilen duyarga ölçümleri arasındaki uzaysal ilişki elde edilmektedir. Yarı-ilinti modeli kullanılarak, alan kestirimi Sıradan Kriging yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Sıradan Kriging yönteminde duyarga bulunmayan bir noktadaki ışık şiddeti, duyargalardan toplanan LDR ölçümlerinin ağırlıklı ortalamasıyla hesaplanmaktadır. Yapılan test sonuçları, Sıradan Kriging kullanılarak bir noktadaki tahmini alan şiddeti ile ayni noktadaki gerçek duyarga ölçümünün birbirlerine oldukça yakın olduğunu göstermektedir.

A Wireless Sensor Network (WSN) observes desired quantities from a given region of interest using numerous cheap and simple sensors. Sensors transmit their measurements to a central unit called fusion center (FC) for final inference. In this thesis, we first design a sensor using low power and low cost components which are MSP430G2553 microcontroller, nRF24L01+ communication unit, and a Light Dependent Resistor (LDR). Using such sensors, we form a WSN. In this thesis, sensors measure light intensities at their locations and send their measurements to the FC. For the transmissions between sensors and FC, we define the communication protocol in a Carrier Sense Multiple Access (CSMA) manner. In this protocol, we explicitly define data request and data reply operations, data and control packet formats, acknowledgement, collision handling and collision avoidance procedures. In this work, we select the task of the WSN as field estimation. The FC forwards the gathered WSN data to a computationally powerful computer. Then, using computer, we first determine the spatial dependence between the sensor measurements called variogram. Then using the variogram, we perform field estimation using Ordinary Kriging where the light intensity at an unobserved location is estimated as a weighted sum of received LDR measurements. Our test results show that the predicted light measurement using Ordinary Kriging at a specific location is quite close to the actual LDR measurement at that location.